D题风力悬浮控制装置设计报告二

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    摘要:
    通过对该控制装置结构的分析，结合现代控制技术设计理念，系统采用STC12CSA60S2为主控芯片，设计制作了一套以轴流风机为主要动力源的风力发生装置，通过接近开关检测薄圆盘的偏离状态,将采集的信息输送入单片机进行分析决策，系统输出不同占空比的PWM波控制不同位置轴流风机转速，调整圆盘运动姿态和运动高度。该装置具有结构简单，易于操作，控制准确等优点。

    关键词: STCI25A60S2 轴流风机接近开关PWM

1引言
本题要求设计并制作一个风力悬浮装置如图，利用风力发生装置控制圆盘的悬浮，上下浮动，并有一定的抗干扰能力。



    本系统主要由单片机最小系统模块，接近开关模块，风力发生装置，电源供电模块共四大部分组成。接近开关与主控核心部件相连，利用光电传感器来判断薄圆盘是否移位或倾斜，将检测到的高低电平信号实时送入MCU, MCU通过计算分析，输出一定占空比的pwm波，井将其作为轴流风机的主要控制变量，控制不同位置轴流风机风速大小，达到修正和控制圆盘的高度以及悬浮状态。

2方案设计
2.1主控芯片的选择
方案一:采用陵阳公司的SPCE061A单片机作为控制器的方案。该单片机1/0资源丰富，但是价格昂贵。

方案二:使用FPGA, CPLD等大规模可编程逻辑控制器件，其时钟频率高，运算速度很快，但电路相对复杂。

方案三:采用STC12C5A60S2. 价格便宜，应用广泛，且相对于51单片机处理速度有了很大的提升，其功能足以实现本设计要求，此外，STCI2C5A60S2 单片机运行速度比传统的51单片机快10-12倍。

    综合考虑系统的信价比和实现简单等因素，本设计选择方案三。

2.2风选机择
方案一:采用8025型号CPU散热风扇，80型风扇因为扇叶大，出风量自然也大，单位时间内可以吹出大量的风量。但80型风扇功率较小不适合吹起圆盘。

方案二:采用空心杯电机，量转换效率很高，起动。制动迅速，响应极快，机械时间常数小于28毫秒，部分产品可以达到10亳秒以内(铁芯电动机- -般在100毫秒以上);在推荐运行区域内的高速运转状态下，可以方便地对转速进行灵敏的调节。运行稳定性十分可靠，转速的波动很小，但该题目对空心杯电机螺旋桨平衡要求较高。

方案三:采用大功率轴流风机，风力大，风力与风叶的轴同方向，易于用PIMI波控制风机的调速。

综上所述，采用方案三。
2.3电源模块的论证与选择
方案一:采用线性元器件L.M7812三端稳压器构成稳压电路，为轴流风机供电，输出纹波小，功率低，难以满足多轴流风机并行控制的需求。

方案二:采用元器件2596为开关稳压芯片，效率高，输出的纹波大，不容易发热，但其输出电压不能满足大功率轴流风机要求。

方案三:采用开关电源给轴流风机供电，其功耗小，效率高，稳压范围宽，能提供较大功率，符合本题目要求。

故选择方案三。

2.4风力发生装置布局
方案一: 采用一个轴流风机置于圆盘下，利用一个轴流风机的轴向风力吹起圆盘。但圆盘吹起的高度较低，平衡难以控制。

方案二:六个轴流风，将六个轴流风机置于等边六边形的六个顶点处，此方案有效的解决了吹起圆盘高度较低的问题。但此方案，当圆盘被吹起较高时圆盘漂移，系统位置调整困难。

方案三:采用中间六个风机在中间，外围再利用多个风机建立起- - 层风墙的结构，此方案在解决圆盘高度的问题上。又利用外围的十二个风机建立起的风墙，有效的解决了漂移问题。

综上所述，采用方案三。

3系统设计
3.1硬件部分
3.1.1系统的总体框图



3.1.2单片机最小系统的设计
最小系统框图如图2所示:



3.1.3接近开关
接近开关利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体的有无，据此原理检测圆盘是否偏离原来位置，将接近开关镶嵌在内环中心外围，- - 旦薄圆盘偏离中心。接近开关便将检测到的信号输送到单片机.单片机通过控制PIM波的大小来控制对应位置风机的转速。

3.1.4风力发生装置布局
根据圆盘及底盘要求，由其圆形结构，及风向动向，驱动风力装置如图3所示:



该布局的内环主要提供动力支持，负责将薄圆盘吹动起来，由于轴流风机吹出的风为逆向风，圆盘必会因此旋转，飘出内环范围，布局的外环由十二个轴流风机构成，其吹出的风整体形成一-道风墙，当薄圆盘飘出内环范围便会遇及风墙，同时，将接近开关检测到圆盘位置信号，送回单片机内，单片机会更改相应位置的风机风速，薄圆盘位置得到相应的调整。

3.1.5电源供电
外环风墙轴流风机功率为12V 3.3A, 和12V 1.2A， 各六个，内环由六个功率为12V 1. 2A的风机组成，考虑到风机数量，我们采用两个功率为12V 14A的开关电源和两个两路直流电源组成电源组进行供电。

3.2软件部分
本系统初始阶段通过手动按键调试，特系统稳定后进行信息采集和处理，软件流程图如图4所示:



4系统调试
4.1硬件调试
系统风力驱动装置如图5所示。



硬件模块的调试主要是对风扇功率以及位置的调试。调试根据圆盘的不同位置以及风力大小的不同分析风扇的当前位置，再结合圆盘的不同位置来调试确定风机的固定位置，当薄板位于不同高度时适当调节风墙倾斜角。

4.2软件调试
软件调试中，通过12单片机内部自带的PIMI脉宽调制控制风机转速，再对接近开关收集的数据进行处理，最后将信息采集与处理与对风机的控制结合起来。

对系统的整体调试主要是看风机在不同的位置下能否达到理想目标，在外界有较强干扰下，系统能否正常运行。测试中，需要在起始时把风机放在不同的位置吹动圆盘，观察圆盘的偏差。在系统调试过程中加入PIM波进行控制。

5测试结果与分析
(1)高度为20nm时稳定时间





结果分析:系统整体上能达到较好的性能，在一定范围内能做出指定动作，浮动范围和时间也能达到相应要求，且在10cm范围内精度可调性比较好，基本部分已经能大概完成，而整个系统的限制主要为电机功率，电机功率较小，当圆盘被吹到较高高度时风墙的作用没有低高度作用明显，导致高度越高时，圆盘浮动范围越大。如果外围风墙风机的功率再大一一些，效果可能会更好。

6心得体会
经过此次的比赛，我们收获颇多，一方面加深了我们对课本理论的认识，另一方面也提高了自已实验操作的能力。我们此次完成的任务跟以往最大的区别就在于这- - 次我们要独立的完成，从最初的方案设计，器材选取，到制作过程中的软件、硬件调试，以及最后整个作品的组装布局和报告的编写。都要由我们自己来完成。因此我们就必须要弄懂整个系统的工作原理。这也让我们深深体会到哲学上理论对实践的指导作用，让我们知道实验的操作能力是靠自己亲自动手，亲自动脑，亲自去请教别人才能得到，不能一成不变和墨守成规，而是应该有改革创新的实践精神。此次比赛经历也为我们今后的学习打下了坚实的基础，相信只要愿意付出，不怕吃苦，总会有收获。

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